窄間隙氣體保護(hù)焊接工藝發(fā)展與應(yīng)用

秦國(guó)梁

山東大學(xué)焊接研究所 山東濟(jì)南 250061

1 序言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油石化與海洋工程等領(lǐng)域的重大裝備日趨大型化、高參數(shù)化，高性能材質(zhì)厚板、超厚板金屬結(jié)構(gòu)（以下統(tǒng)稱厚壁結(jié)構(gòu)）的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。厚壁結(jié)構(gòu)的大拘束度及傳統(tǒng)焊接工藝的大填充量帶來(lái)諸多問(wèn)題，如生產(chǎn)效率低、焊接熱輸入大，使焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力和殘余變形，從而對(duì)接頭塑性、韌性帶來(lái)較大損傷，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能變差等。窄間隙焊接技術(shù)（Narrow Gap Welding，NG-W）在保留傳統(tǒng)焊接方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，較理想地克服了上述局限性。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，由于NG-W采用窄而深的焊接坡口，因此大幅度減少了焊縫橫截面積，節(jié)約了填充焊接材料，降低了接頭總的焊接熱輸入，在提高焊接生產(chǎn)率的同時(shí)降低了焊接生產(chǎn)成本。特別地，由于焊接材料填充量少、總的熱輸入低，不但使接頭殘余應(yīng)力和殘余變形小、焊縫組織細(xì)化，也會(huì)大大減小接頭塑韌性損傷，容易獲得高精度、高性能的接頭，因此窄間隙焊接技術(shù)已成為石油石化、海洋工程等領(lǐng)域重型裝備厚壁結(jié)構(gòu)的重要焊接成形制造技術(shù)。

本文從高端裝備厚壁結(jié)構(gòu)焊接成形制造對(duì)窄間隙焊接技術(shù)的要求出發(fā)，簡(jiǎn)明扼要地介紹了窄間隙氣體保護(hù)焊接（Narrow Gap Gas Shielded Arc Welding）的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及存在的焊接過(guò)程穩(wěn)定性、側(cè)壁熔合、焊縫跟蹤等問(wèn)題，并基于熔敷效率和熱輸入平衡，提出了激光+電弧復(fù)合熱源超窄間隙焊接技術(shù)，其具有實(shí)現(xiàn)熱敏感材質(zhì)厚壁金屬結(jié)構(gòu)的高效、低熱輸入、低損傷焊接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 窄間隙氣體保護(hù)焊接工藝方法及特點(diǎn)

窄間隙焊接技術(shù)自1963年8月由美國(guó)Battelle研究所開(kāi)發(fā)成功以來(lái)，在20世紀(jì)70～80年代進(jìn)入研發(fā)高峰，并在80年代末進(jìn)入了工程應(yīng)用階段。在早期的窄間隙焊接研發(fā)和工程應(yīng)用中，主要是以窄間隙埋弧焊（NG-SAW）為主。但近年來(lái)，隨著對(duì)熱輸入比較敏感的高性能材料在厚壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多，NG-ASW熱輸入大的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，而熱輸入較低的以窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊（Narrow Gap Gas Metal Arc Welding，NG-GMAW）和窄間隙鎢極氬弧焊（Narrow Gap Gas Tungsten Arc Welding，NG-GTAW）為代表的窄間隙氣體保護(hù)焊接技術(shù)受到了重視，并進(jìn)行了廣泛地研發(fā)。

窄間隙焊接作為厚壁結(jié)構(gòu)首選的焊接工藝，相比傳統(tǒng)的多層多道大坡口焊接，具有諸多技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性。

1）節(jié)能、省材、高效率：由于坡口間隙大幅減小，填充焊縫金屬減少，能量輸入降低，在大幅度提高焊接生產(chǎn)率的同時(shí)，也降低了生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù)表明，NG-GMAW焊材消耗量比普通SAW減少50%以上，比NG-SAW減少了近14%（不包括焊劑消耗量和保護(hù)氣體的消耗量）[1]。

2）低的焊接熱輸入、應(yīng)力變形、熱損傷：低的熱輸入使得接頭具有較低的焊接殘余應(yīng)力和變形，熱影響區(qū)小，對(duì)母材的熱損傷也小。

3）焊縫質(zhì)量高：焊縫組織性能均勻性提高，力學(xué)性能特別是塑韌性指標(biāo)得到改善。

4）在厚板焊接領(lǐng)域具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：隨著板厚的增加，窄間隙焊的材料費(fèi)和人工費(fèi)節(jié)約比例越來(lái)越大，一般來(lái)講，比傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)成本至少節(jié)約40%以上。

由于窄間隙焊接具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，其研發(fā)一直是國(guó)內(nèi)外焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，各種各樣的窄間隙焊接技術(shù)紛紛被開(kāi)發(fā)出來(lái)。窄間隙氣體保護(hù)焊主要包括NG-GMAW和NGGTAW等窄間隙焊接工藝方法。

2.1 窄間隙熔化極保護(hù)焊技術(shù)

NG-GMAW是1975年后研制成功的，采用特殊的焊絲彎曲機(jī)構(gòu)使焊絲保持彎曲，以保證坡口側(cè)壁熔合。焊絲作為電極可采用大電流焊接，焊接熔敷效率高，同時(shí)適用于各種位置焊接，焊后不需要清渣，且明弧焊接便于監(jiān)視和控制，非常適合自動(dòng)化焊接[2,3]。

保護(hù)氣體通常使用Ar或CO2，在實(shí)際工程應(yīng)用中多用CO2+Ar混合氣。窄間隙CO2氣體保護(hù)焊兼顧了CO2氣體保護(hù)和窄間隙焊二者的長(zhǎng)處，但飛濺率高是其最大的問(wèn)題，人們一直在尋找降低CO2氣體保護(hù)焊飛濺率的方法。表面張力過(guò)渡（Surface Tension Transfer，STT）技術(shù)極大地降低了氣體保護(hù)焊的飛濺率，使純CO2氣體保護(hù)焊在NG-W中的應(yīng)用成為可能[3,4]。另外，藥芯焊絲的使用極大地抑制了CO2氣體保護(hù)焊接過(guò)程中的飛濺。藥芯焊絲電弧焊（Flux-Cored Arc Welding，F(xiàn)CAW）在純CO2保護(hù)下，電弧和熔滴過(guò)渡穩(wěn)定、熔敷效率高、焊縫成形良好，用于NG-W具有側(cè)壁熔合良好、單道焊無(wú)擺動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接的優(yōu)勢(shì)。

但基于FCAW的窄間隙焊技術(shù)，繼承了SAW和GMAW的優(yōu)點(diǎn)，但也遺傳了其缺點(diǎn)。一方面是脫渣問(wèn)題，用較小間隙（如≤12 mm）單道焊接時(shí)，清渣十分困難，因而只能采用較大間隙（一般≥18mm），削弱了NG-GMAW的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；另一方面就是飛濺，主要是大焊接電流使其在熱敏感鋼和平焊除外的空間位置應(yīng)用時(shí)受到了限制，而中小參數(shù)焊接時(shí)，F(xiàn)CAW極易產(chǎn)生大顆粒以及大顆粒與短路混合過(guò)渡，難以避免隨機(jī)產(chǎn)生的大顆粒飛濺，直接威脅到焊槍運(yùn)行和送絲過(guò)程的可靠性。這些缺點(diǎn)成為NG-FCAW實(shí)際工程應(yīng)用推廣的障礙。

NG-GMAW過(guò)程中，總存在著明弧條件下的熔滴過(guò)渡，因而不可避免地存在著飛濺。在常規(guī)GMAW工藝中，由于焊接坡口較寬大，飛濺對(duì)焊接過(guò)程可靠性的影響可很容易地控制到最小。然而在NG-W時(shí)，插入式焊槍離側(cè)壁的距離很小，隨機(jī)產(chǎn)生的大顆粒飛濺若焊合到側(cè)壁上，則可能導(dǎo)致焊槍移動(dòng)卡死或短路的危險(xiǎn)；導(dǎo)電嘴末端的飛濺聚集有可能導(dǎo)致送絲中斷，并破壞氣保護(hù)效果。盡管通過(guò)保護(hù)氣氛和焊接參數(shù)的合理選擇，可使飛濺降到較低水平（如3%左右），但對(duì)可靠性要求極高的窄間隙焊接而言，現(xiàn)有技術(shù)水平還不能完全排除飛濺對(duì)焊接可靠性的影響，這也許是NG-GMAW技術(shù)投入開(kāi)發(fā)、研究最多，而商品化推廣應(yīng)用卻較少的根本原因之一[5-7]。

2.2 窄間隙鎢極氬弧焊技術(shù)

NG-GTAW最早應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代初，超高強(qiáng)度鋼等熱敏感材料的應(yīng)用促進(jìn)了NG-GTAW的研發(fā)。但由于鎢極載流能力低，熔敷效率不高，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，因此一般被用于打底焊及重要結(jié)構(gòu)焊接中。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高熔敷效率，多采用熱絲GTAW。與NG-SAW相比主要有以下特性。

1）非熔化電極、無(wú)焊接飛濺、焊接過(guò)程穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入精確控制以及全位置焊接。

2）焊接熱輸入低和無(wú)氧氣氛有利于獲得高質(zhì)量焊接接頭，非常適用于高強(qiáng)鋼、高合金鋼、不銹鋼及鈦合金等材料焊接。

在現(xiàn)有的各種N G-W技術(shù)中，若進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，則NG-GMAW是相對(duì)更優(yōu)越的技術(shù)：從焊接生產(chǎn)率上看，NG-GMAW具有與NG-SAW接近的較高熔敷率，且成倍地高于NG-GTAW；從空間位置上看，NG-GMAW可以全位置焊接；另外，NGGMAW熱輸入范圍寬且很低，使其特別適用于低合金高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼等對(duì)熱輸入比較敏感材料的焊接，可降低HAZ損傷。

窄間隙氣體保護(hù)焊接工藝技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 窄間隙氣體保護(hù)焊接工藝技術(shù)特點(diǎn)

目前，隨著電弧物理和弧焊控制技術(shù)的進(jìn)步，NG-GMAW飛濺控制技術(shù)必將向更理想的目標(biāo)發(fā)展，隨著研究的不斷深入，出現(xiàn)了諸如STT、CMT Cold Metal Transfer，CMT）等無(wú)飛濺的焊接工藝。

2.3 窄間隙激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)由于具有能量密度集中、熱影響區(qū)窄、焊后變形小等特征，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。特別近年來(lái)，隨著激光功率的不斷增大和成本的降低，大功率激光焊接技術(shù)獲得了越來(lái)越多的工程應(yīng)用，并應(yīng)用于厚壁結(jié)構(gòu)窄間隙焊接[8-11]。為了最大限度地減小坡口尺寸，充分利用激光束能量密度高的優(yōu)勢(shì)，大鈍邊窄間隙激光焊接工藝（Narrow Gap Laser Welding，NG-LW）結(jié)合了窄間隙焊接技術(shù)與激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)超窄間隙、低熱輸入焊接[12-15]。

為了克服傳統(tǒng)窄間隙激光焊接過(guò)程中側(cè)壁未熔合的問(wèn)題，光束擺動(dòng)技術(shù)被引入到NG-LW中，即激光束按照一定路徑在坡口內(nèi)擺動(dòng)，增加熱源作用范圍，并有效加熱坡口側(cè)壁，實(shí)現(xiàn)側(cè)壁熔合，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多層單道焊接，提高了生產(chǎn)效率和接頭性能，窄間隙擺動(dòng)激光焊接技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。但激光焊對(duì)厚壁件裝配的高要求和熔敷效率低等問(wèn)題限制了NG-LW的工程應(yīng)用。

擺動(dòng)激光焊接技術(shù)自實(shí)現(xiàn)以來(lái)，激光擺動(dòng)設(shè)備逐漸由機(jī)械擺動(dòng)發(fā)展為振鏡系統(tǒng)。

1）機(jī)械擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：使用CNC數(shù)控機(jī)床控制激光擺動(dòng)，研究光束擺動(dòng)對(duì)氣孔的抑制作用[16]。雖然機(jī)械裝置控制激光束擺動(dòng)的研究取得了一定的成果，但存在擺動(dòng)頻率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

2）電動(dòng)動(dòng)楔形鏡片擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：借助光束透過(guò)楔形鏡片發(fā)生折射的現(xiàn)象，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏡片的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光束的擺動(dòng)，如IPG公司生產(chǎn)的D30/D50激光擺動(dòng)焊接鏡頭，具有光束擺動(dòng)精度、擺動(dòng)頻率高的特點(diǎn)，促進(jìn)了擺動(dòng)激光焊接的發(fā)展，但擺動(dòng)模式較為單一，限制了在工業(yè)上的應(yīng)用[17]。

3）振鏡擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過(guò)兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)控制鏡片擺動(dòng)，進(jìn)而控制入射激光的擺動(dòng)，使激光光路發(fā)生偏轉(zhuǎn)，之后經(jīng)聚焦鏡組聚焦，使其聚焦到設(shè)定的位置，從而實(shí)現(xiàn)激光束擺動(dòng)路徑的加載，如Trumpf公司生產(chǎn)的可編程聚焦鏡組，擺動(dòng)速度可達(dá)1000mm/s，且可以進(jìn)行激光束的快速定位和切換，實(shí)現(xiàn)激光擺動(dòng)的高質(zhì)量焊接[18,19]。

NG-LW過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置幅度、頻率、速度或模式等擺動(dòng)參數(shù)可擴(kuò)大間隙適應(yīng)性，調(diào)控熔池金屬的流動(dòng)狀態(tài)，抑制氣孔產(chǎn)生，改變焊接熔池形貌和尺寸，抑制凝固裂紋，改變晶粒生長(zhǎng)行為，實(shí)現(xiàn)可靠側(cè)壁熔合，獲得高質(zhì)量接頭[20-22]。盡管NG-LW可以獲得高質(zhì)量接頭，但其與NG-GTAW一樣，存在熔敷效率低的問(wèn)題。

3 窄間隙氣體保護(hù)焊接關(guān)鍵技術(shù)

與工程應(yīng)用已經(jīng)非常成熟的NG-SAW相同，側(cè)壁熔合、焊縫跟蹤也是窄間隙氣體保護(hù)焊接的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。除此之外，焊接過(guò)程穩(wěn)定性和過(guò)程監(jiān)控也是決定實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性窄間隙焊接的重要技術(shù)因素。

3.1 低飛濺、低熱輸入焊接工藝

窄間隙氣體保護(hù)焊接過(guò)程中是明弧焊接，而在深而窄的坡口內(nèi)明弧焊時(shí)，焊接飛濺對(duì)工藝可靠性影響極大。當(dāng)飛濺聚集到噴嘴端口和導(dǎo)電嘴出口處時(shí)，會(huì)影響氣體保護(hù)的效果和送絲的穩(wěn)定性；若黏合或焊合在側(cè)壁上，將直接導(dǎo)致焊槍在坡口內(nèi)移行困難甚至短路，從而造成焊接缺陷甚至焊接失敗。另外，對(duì)一些熱輸入敏感的高性能材料焊接時(shí)，采用低熱輸入焊接工藝以降低其對(duì)母材的熱損傷，是保證接頭性能的重要措施。因此，低飛濺、低熱輸入的焊接工藝是優(yōu)質(zhì)高效窄間隙氣體保護(hù)焊接的工藝基礎(chǔ)。

以前，國(guó)內(nèi)外研究人員從控制熔滴過(guò)渡方面對(duì)抑制焊接飛濺做了很多有益的工作，結(jié)合焊接過(guò)程控制技術(shù)開(kāi)發(fā)了一些先進(jìn)的焊接技術(shù)，如STT、CMT等低飛濺與低熱輸入焊接工藝；另外，通過(guò)調(diào)控保護(hù)氣氛獲得穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡模式，如在富Ar氣氛（Ar+10%～20%CO2）全射流過(guò)渡或射流/短路混合過(guò)渡。

焊接低熱輸入往往會(huì)造成熔敷效率低的問(wèn)題，因此對(duì)于窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接工藝，在保證不增加焊接損傷的條件下，如何提高熔敷效率也是亟待解決的問(wèn)題之一。

3.2 窄間隙氣體保護(hù)焊接側(cè)壁熔深控制

在NG-W條件下，電弧軸線基本與坡口側(cè)壁平行，電弧也難以直接加熱熔化側(cè)壁，從而造成側(cè)壁熔合可靠性差的問(wèn)題，并且熱輸入越低，側(cè)壁未熔合的問(wèn)題越突出，是目前窄間隙氣體保護(hù)焊接技術(shù)中最大的技術(shù)難點(diǎn)[23]。

電弧偏轉(zhuǎn)方法如下。

（1）電弧偏轉(zhuǎn) 為了實(shí)現(xiàn)電弧直接加熱熔化側(cè)壁，達(dá)到可靠熔合，各種實(shí)現(xiàn)電弧偏轉(zhuǎn)的焊絲擺動(dòng)、焊槍擺動(dòng)等技術(shù)措施被開(kāi)發(fā)出來(lái)[24]。主要有以下幾種方法：

1）采用雙絲分別偏向兩側(cè)壁（見(jiàn)圖1a）。

2）焊槍在坡口內(nèi)偏擺（見(jiàn)圖1b）。

3）焊絲端部彎曲并軸向旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖1c）。

4）采用波浪焊絲（見(jiàn)圖1d）[1,25]。

5）采用麻花焊絲（見(jiàn)圖1e）。

圖1 部分電弧偏擺方法

6）采用螺旋送進(jìn)焊絲。

7）偏心旋轉(zhuǎn)。

8）在交流波形上疊加脈沖。

9）旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡。

對(duì)NG-GMAW來(lái)說(shuō)，主要是利用電弧擺動(dòng)使電弧直接加熱熔合側(cè)壁。在平焊中，為了使I形坡口的兩側(cè)壁充分熔合，多采用焊絲彎曲、焊絲垂直焊接方向擺動(dòng)、麻花狀焊絲以及交流弧焊等方法，使電弧偏轉(zhuǎn)直接加熱熔化坡口側(cè)壁，取得了不錯(cuò)的效果。在橫焊中，為了防止I形坡口內(nèi)液態(tài)金屬下淌，一般利用焊接電流周期性變化，使焊絲擺動(dòng)或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦雍附樱约皩⒏鞣N方式組合起來(lái)的焊接方法，從而得到均勻的焊道。

在立焊中，為了保證坡口兩側(cè)焊透，一般采用擺動(dòng)焊絲焊接以及焊接電流與焊絲擺動(dòng)同步變化的焊接方法來(lái)保證焊縫成形良好。

而NG-GTAW不僅克服了普通TIG焊接效率低的缺點(diǎn)，而且具備了熔化極氣體保護(hù)焊接工藝方法所不具備的特征。NG-GTAW不僅可以實(shí)現(xiàn)薄板焊接、壓力管道全位置焊接，而且焊縫成形好、焊接質(zhì)量高。NG-GTAW中，有在送進(jìn)焊絲中通入直流電產(chǎn)生偏向焊接方向的磁場(chǎng)焊接，也有采用熱絲低頻脈沖電流NG-GTAW立焊或橫焊焊接。此外，為了防止因向填絲中通電而引起磁偏吹，一般采用周期性增減焊接電流，并在焊接電流降低瞬間填絲通電的焊接方法來(lái)克服磁偏吹的不利影響。

（2）電弧旋轉(zhuǎn) 除了是電弧偏轉(zhuǎn)外，旋轉(zhuǎn)電弧是窄間隙焊接工藝中一種常用的用來(lái)解決側(cè)壁熔合的方法。如江蘇科技大學(xué)王加友等[26]采用偏心導(dǎo)電嘴實(shí)現(xiàn)了窄間隙焊接過(guò)程中電弧的高速旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。研究結(jié)果表明，電弧旋轉(zhuǎn)明顯地改善了焊縫側(cè)壁熔深，避免了指狀熔深的出現(xiàn)，從而有效地防止了未熔透、裂紋和氣孔等一般窄間隙焊常見(jiàn)缺陷的出現(xiàn)；多層焊時(shí)層與層之間熔合良好，側(cè)壁熔深足夠，并沒(méi)有出現(xiàn)未焊透等焊接缺陷，焊縫表面成形美觀（見(jiàn)圖2c）。

圖2 高速旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接工藝原理和焊縫成形

旋轉(zhuǎn)電弧法是通過(guò)一種驅(qū)動(dòng)裝置將電弧強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)起來(lái)的方法，對(duì)坡口精度和焊接參數(shù)要求嚴(yán)格，導(dǎo)致導(dǎo)電嘴磨損以及焊絲盤(pán)卷本身的翹曲彎折造成焊絲不規(guī)則擺動(dòng)等問(wèn)題，但由于焊槍自動(dòng)對(duì)中控制是一個(gè)極為重要的條件，需要精準(zhǔn)的焊縫跟蹤。

（3）非均勻壓縮電弧 電弧是一種可壓縮的“彈性導(dǎo)體”，因此可以通過(guò)如熱壓縮、電磁調(diào)控等各種措施對(duì)電弧形態(tài)進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)壁的可靠熔合。

在窄間隙氣體保護(hù)焊接時(shí)，坡口本身對(duì)焊接電弧有一定的機(jī)械壓縮，保護(hù)氣體對(duì)電弧進(jìn)行強(qiáng)制冷卻壓縮，使電弧的能量密度大大增加，同時(shí)狹窄坡口內(nèi)電弧向空氣輻射的熱損失較小，電弧的熱效率增加，電弧區(qū)的溫度顯著提高；進(jìn)一步對(duì)焊接電弧進(jìn)行合理的非均勻壓縮，得到需要的電弧形狀及在坡口內(nèi)的加熱面積，可以使兩側(cè)壁獲得充分加熱，從而實(shí)現(xiàn)均勻熔合。

張富巨等[27,28]設(shè)計(jì)非均勻壓縮扁平形噴嘴以實(shí)現(xiàn)電弧的非均勻壓縮，如圖3所示。兩種型號(hào)噴嘴與圓柱形噴嘴對(duì)焊縫熔寬影響比較見(jiàn)表2。

圖3 非均勻壓縮扁平形噴嘴

表2 噴嘴對(duì)焊縫熔寬的影響

研究結(jié)果表明，非均勻氣流對(duì)電弧的壓縮作用很明顯，在扁平形噴嘴平行于焊接方向時(shí)熔寬增長(zhǎng)較大，而在垂直于焊接方向時(shí)熔寬減小，并且噴嘴兩側(cè)噴氣通道對(duì)電弧壓縮作用具有一定的影響，噴出氣流的挺度越大，對(duì)電弧的壓縮作用越強(qiáng)，電弧對(duì)側(cè)壁的加熱力度更大。

（4）磁控電弧偏轉(zhuǎn) 在焊接電弧上外加磁場(chǎng)，從而使電弧在電磁力作用下，在磁力線的法平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，能夠使電弧偏轉(zhuǎn)為窄間隙氣體保護(hù)焊中坡口側(cè)壁熔合控制提供了一個(gè)新的思路。以前采用波浪形和麻花形送絲等強(qiáng)制彎絲，以及機(jī)械強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)電弧等都是從送絲方面強(qiáng)制電弧偏轉(zhuǎn)，而韓國(guó)NA等[29]在平行焊接方向上將一個(gè)縱向磁場(chǎng)施加在電弧基于電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了NG-W過(guò)程中電弧柔性偏轉(zhuǎn)，如圖4所示。電弧振蕩有振蕩頻率和振蕩寬度兩個(gè)參數(shù)。振蕩寬度依賴于施加電磁場(chǎng)的磁通密度、焊接電流和弧長(zhǎng)，磁通密度越大，電弧偏轉(zhuǎn)角度越大，如對(duì)于寬度為10mm的坡口，在25Gs（1Gs＝10-4T）的磁通密度下，電弧振蕩效果不明顯，在75Gs卻出現(xiàn)咬邊，而在50Gs下，電弧振蕩到坡口的角落里，獲得可靠側(cè)壁熔合，如圖5a、c所示；坡口寬度越窄，相同磁通密度下越容易出現(xiàn)振蕩電弧的側(cè)壁黏連，如圖5b所示。

圖4 基于電磁電弧振蕩的窄間隙焊接

圖5 窄間隙焊接過(guò)程中弧柱旋轉(zhuǎn)圖像

3.3 工藝參數(shù)對(duì)側(cè)壁熔合的影響

除了采用電弧偏轉(zhuǎn)直接加熱熔化側(cè)壁、保證窄間隙焊接側(cè)壁熔合質(zhì)量之外，如焊接熱輸入、熔滴過(guò)渡模式及焊接參數(shù)等工藝條件對(duì)側(cè)壁熔合質(zhì)量也具有重要影響。

（1）焊接熱輸入 一般在低熱輸入?yún)?shù)下電弧作用區(qū)域變窄，對(duì)側(cè)壁加熱作用減弱，因此在一定的低熱輸入范圍內(nèi)，熱輸入越高，側(cè)壁熔合越好，出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷的概率也越小。隨著電弧高能區(qū)變窄，只有保持相對(duì)穩(wěn)定的電弧作用位置，才能使電弧對(duì)側(cè)壁進(jìn)行充分加熱。因此，側(cè)壁熔合情況會(huì)隨著熱輸入減小而對(duì)電弧作用位置變得更加敏感。

（2）熔滴過(guò)渡 有關(guān)研究表明，連續(xù)旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡可有效地增大焊縫熔寬，提高焊接熔敷速度，改善角焊縫與窄間隙焊的焊縫成形以及對(duì)焊件裝配間隙不敏感等優(yōu)點(diǎn)，因此旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡可以用于窄間隙焊接改善側(cè)壁熔合。西北工業(yè)大學(xué)研究人員通過(guò)對(duì)比脈沖軸向噴射過(guò)渡與脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡窄間隙焊接電弧形態(tài)和焊縫成形，發(fā)現(xiàn)在脈沖軸向噴射過(guò)渡時(shí)，鐘罩形電弧弧柱爍亮區(qū)內(nèi)、在焊絲末端尖液錐下沿焊絲軸線有一條由細(xì)小熔滴過(guò)渡所造成的淡黑線熔滴過(guò)渡軌跡；而在脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡時(shí)，焊絲末端細(xì)長(zhǎng)液錐的旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡和電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使弧柱的爍亮區(qū)成為角錐形，如圖6所示。采用脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡焊接時(shí)，電弧過(guò)程穩(wěn)定，可保證獲得良好的焊縫成形，焊縫側(cè)壁熔深明顯大于軸向噴射過(guò)渡的焊縫，且未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷[30]。

圖6 窄間隙焊接電弧熔滴過(guò)渡形態(tài)示意

3.4 窄間隙氣體保護(hù)焊接焊縫跟蹤

焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)作為窄間隙焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一，很大程度上決定著窄間隙焊接的質(zhì)量。焊縫跟蹤就是以電弧相對(duì)于坡口中心（或坡口兩側(cè)壁）的位置偏差作為被調(diào)節(jié)量，焊槍位移量作為操作量，使焊槍始終沿著焊縫運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)偏差發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)檢測(cè)這一偏差，然后經(jīng)放大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置。

（1）窄間隙氣體保護(hù)焊接焊縫橫向跟蹤 在焊接過(guò)程中，焊縫跟蹤系統(tǒng)有效獲得坡口中心軌跡的相對(duì)變化后，快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)焊槍與坡口中心對(duì)正，是關(guān)系到窄間隙焊接質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。電?。ɑ蚝笜專┫鄬?duì)焊接坡口的精確位置控制是確保窄間隙焊接質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而目前由于在窄間隙焊接中電弧與側(cè)壁的距離是保證側(cè)壁熔合質(zhì)量的重要因素，因而電弧對(duì)坡口側(cè)壁的跟蹤就變?yōu)楹笜寣?duì)坡口距離的跟蹤。

焊接跟蹤控制的難點(diǎn)在于電弧位置的精確檢測(cè)。由于焊接工藝、接頭形式、坡口加工與裝配精度等工藝條件千差萬(wàn)別，焊接過(guò)程中又有強(qiáng)弧光輻射、強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫及飛濺等干擾，使得電弧位置的檢測(cè)極其困難。目前，已提出的檢測(cè)方法有電弧式、接觸式、電磁式、光電式等，其中視覺(jué)傳感是研究得最多且極具應(yīng)用潛力的電弧跟蹤傳感方 法[31-34]。

視覺(jué)傳感采用的CCD、CMOS攝像機(jī)光譜響應(yīng)范圍很寬（380～1100nm），圖像點(diǎn)陣精度高，且失真小、靈敏度高，在光電檢測(cè)方面具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在弧焊自動(dòng)跟蹤過(guò)程中，視覺(jué)傳感的跟蹤對(duì)象可以是輔助圖像、電弧及熔池?zé)釄?chǎng)，具有信息豐富的特點(diǎn)[35-39]。盡管視覺(jué)傳感焊縫跟蹤具有非接觸、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但是弧光對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾是視覺(jué)傳感最大的問(wèn)題，并且很難克服，一般通過(guò)選用合適的背景濾光等弧光抑制措施，以削弱輻射極強(qiáng)的弧光影響。

機(jī)械式焊縫跟蹤則可以有效克服焊接過(guò)程中弧光的干擾，也是NG-SAW焊縫寬度檢測(cè)應(yīng)用最成熟的方法。如常用的旋轉(zhuǎn)電位器作角位移傳感器的接觸式焊縫寬度檢測(cè)傳感器，根據(jù)電壓差符號(hào)判斷偏轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)電壓差大小與預(yù)先設(shè)定的窗口閾值比較，來(lái)判斷是否要調(diào)節(jié)焊槍位置[40,41]。

除此之外，基于弧長(zhǎng)變化的電弧傳感系統(tǒng)也是焊縫寬度檢測(cè)的方法之一。如韓國(guó)NA等[29]則在電磁振蕩電弧窄間隙焊接過(guò)程中分析并根據(jù)弧長(zhǎng)的特征實(shí)現(xiàn)了基于電弧的焊縫跟蹤。而天津工業(yè)大學(xué)李亮玉等[42]則針對(duì)脈沖NG-GMAW，從經(jīng)過(guò)均值濾波后采集的電流信號(hào)中提取每一個(gè)脈沖周期的峰值電流（見(jiàn)圖7），計(jì)算焊槍在左右極限位置遠(yuǎn)離側(cè)壁時(shí)的峰值電流變化率，得到焊槍偏差量，將其發(fā)送給焊槍擺動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)，控制焊槍糾偏，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤控制，有效提高了脈沖NG-GMAW過(guò)程中電弧傳感的靈敏度。

圖7 NG-W過(guò)程中電弧傳感跟蹤電流波形

窄間隙視覺(jué)傳感焊縫跟蹤在超厚結(jié)構(gòu)窄間隙焊接過(guò)程仍需要進(jìn)一步研究解決弧光抑制、提高跟蹤可靠性等問(wèn)題。而接觸式焊縫寬度跟蹤一直是窄間隙焊接焊縫跟蹤應(yīng)用的主要跟蹤方法，但在超窄間隙焊接過(guò)程中仍然面臨跟蹤接觸頭超小型化、耐磨等問(wèn)題。

（2）窄間隙氣體保護(hù)焊焊槍高度跟蹤 對(duì)焊槍高度進(jìn)行監(jiān)控以保證電弧弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性，也是保證窄間隙焊接質(zhì)量的重要方面。在焊接過(guò)程中，高度跟蹤主要是基于對(duì)電弧監(jiān)測(cè)而進(jìn)行的。電弧傳感器具有非接觸、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、價(jià)格低廉、可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)，已在弧焊跟蹤領(lǐng)域引起廣泛重視，不少應(yīng)用研究已從試驗(yàn)室轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用。電弧傳感器可分為焊接電流傳感、電弧電壓傳感兩種方式，其中電流傳感方式應(yīng)用較多。

采用STT焊接電源及其配套的送絲機(jī)構(gòu)、在相同焊接條件下焊槍高度與焊接電流和電弧電壓平均值之間的關(guān)系，如圖8所示[43-47]。電壓信號(hào)平均值反映焊槍高度具有正相關(guān)、單調(diào)上升的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且信號(hào)再現(xiàn)性好、靈敏度高，隨著焊槍高度的增大，電壓信號(hào)對(duì)高度變化的靈敏度稍有降低。而電流信號(hào)反映高度變化的規(guī)律不很明顯，信號(hào)分散，再現(xiàn)性差，電流信號(hào)與高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，依此建立的系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

圖8 焊槍高度與焊接電流、電弧電壓平均值的關(guān)系

以電弧電壓平均值為電弧傳感器的檢測(cè)信號(hào)，采用經(jīng)典PID控制策略建立的焊槍高度實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)對(duì)典型階躍、斜坡輸入信號(hào)具有穩(wěn)定可靠的響應(yīng)，如圖9所示[43，48]。對(duì)平直和斜坡信號(hào)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度較高；在臺(tái)階處，系統(tǒng)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，存在一定超調(diào)；但對(duì)±5 mm以內(nèi)的臺(tái)階及＜±0.2mm/mm以內(nèi)的斜坡形焊道，跟蹤精度和靈敏度基本上都能夠滿足實(shí)際工程的需要。

圖9 焊縫跟蹤系統(tǒng)對(duì)典型階躍、斜坡輸入信號(hào)的響應(yīng)

采用電弧電壓平均值表征焊槍高度，在一定程度上可以起到抑制采樣區(qū)間內(nèi)熔滴過(guò)渡頻率的正常波動(dòng)對(duì)跟蹤穩(wěn)定性的影響。但當(dāng)送絲速度發(fā)生異常波動(dòng)時(shí)，電弧電壓平均值也將出現(xiàn)異常波動(dòng)，導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)失控。因而采用電弧電壓平均值作為焊槍高度跟蹤檢測(cè)信號(hào)仍然存在一定的異常干擾風(fēng)險(xiǎn)。

在焊接過(guò)程中，異常干擾主要表現(xiàn)為：飛濺聚集且堵塞在導(dǎo)電嘴端部引起的送絲不穩(wěn)定、焊絲黏連以及導(dǎo)電嘴堵塞等問(wèn)題，都會(huì)造成熔滴過(guò)渡（如短路過(guò)渡）異常，使得電弧電壓信號(hào)不能真實(shí)地反映焊槍的高度。在短路過(guò)渡模式下，短路頻率是電弧穩(wěn)定與否的一個(gè)重要指標(biāo)，系統(tǒng)依靠電弧的自調(diào)節(jié)作用來(lái)消除輕微干擾的影響。只有存在上述異常干擾時(shí)，系統(tǒng)不能靠自身調(diào)節(jié)作用消除其影響，短路頻率才會(huì)大幅度地降低，且低于正常短路頻率值，此時(shí)應(yīng)避免對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則系統(tǒng)容易失控。因此，采用短路頻率統(tǒng)計(jì)的方法可以防止異常干擾引起的系統(tǒng)失控，提高焊縫跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。

（3）窄間隙氣體保護(hù)焊接焊縫跟蹤精度 準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤是一切跟蹤系統(tǒng)追求的目標(biāo)之一，然而一切跟蹤系統(tǒng)都必然存在各種類型的誤差，因此怎樣減少跟蹤誤差、實(shí)現(xiàn)高精度窄間隙焊縫跟蹤也是焊接自動(dòng)化技術(shù)研究方向之一。

窄間隙焊縫跟蹤的誤差主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)誤差、傳感導(dǎo)前誤差、弧光干擾誤差等[49，50]。

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)誤差：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與螺桿等機(jī)構(gòu)之間的配合往往存在一定的間隙，從而帶來(lái)一定的調(diào)節(jié)誤差。目前，降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)誤差的主要措施如下。

第一，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸與絲桿之間連接不發(fā)生相對(duì)角位移。

第二，絲桿與螺母之間配合間隙足夠小，以保證焊槍由某方向反向調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生的誤差在可以忽略的范圍內(nèi)。一般可以在絲桿與移動(dòng)螺母間加設(shè)一個(gè)預(yù)緊彈簧來(lái)減小配合間隙。

第三，采用更精確的滾珠絲桿傳動(dòng)、加設(shè)數(shù)碼器等措施改進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

第四，軟件上，可在跟蹤控制程序中通過(guò)定義一函數(shù)，在計(jì)算輸出調(diào)節(jié)量時(shí)把反向調(diào)節(jié)時(shí)耦合間隙量疊加進(jìn)調(diào)節(jié)量中。

2）傳感導(dǎo)前誤差：傳感導(dǎo)前誤差的大小與導(dǎo)前距離及中心軌跡的變化情況有關(guān)，如坡口中心軌跡為直線時(shí)，則不存在導(dǎo)前誤差；但當(dāng)坡口中心線由直線向曲線以及不同曲率的曲線過(guò)渡時(shí)，亦即只要傳感器和焊槍兩點(diǎn)不同時(shí)處于同一曲率的中心軌跡上，則均存在著導(dǎo)前誤差，且二者的曲率半徑相差越大，導(dǎo)前誤差也越大[51]。

為減小傳感導(dǎo)前誤差，應(yīng)采取使焊接坡口棱邊的直線度精度盡可能高、控制焊接殘余變形盡可能小等措施。當(dāng)然，也可通過(guò)軟件來(lái)消除導(dǎo)前誤差，即導(dǎo)前檢測(cè)、滯后調(diào)節(jié)。

3）弧光干擾：在焊接過(guò)程中，強(qiáng)烈的弧光對(duì)視覺(jué)傳感跟蹤精度具有很大影響。強(qiáng)烈弧光干擾會(huì)使視覺(jué)傳感器發(fā)生飽和現(xiàn)象和使坡口棱邊內(nèi)外的灰度差減小，圖像二極性特征減弱，坡口邊緣識(shí)別變得困難。有研究表明，在接收光路中采用峰值波長(zhǎng)為0.6～0.7μm的干涉濾光片，加上防熱玻璃，可有效地抑制弧光干擾，如在CCD鏡頭前方加上一組組合鏡片（見(jiàn)圖10），還可加偏振片進(jìn)一步削弱弧光從工件表面反射產(chǎn)生的干擾[52]。

圖10 復(fù)合濾光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除上述因素外，凡是影響到坡口中心軌跡檢測(cè)精度和輸出調(diào)節(jié)精度的因素都將影響跟蹤精度，因而同樣視為誤差因素。例如：始焊位置給定的焊槍幾何中心與坡口中心重合偏差，是一種系統(tǒng)誤差，一旦焊前存在，焊接過(guò)程中將不能自動(dòng)消除。

4 窄間隙氣體保護(hù)焊存在的問(wèn)題及其解決措施

4.1 高質(zhì)量和高效率的平衡

近些年，隨著高合金鋼、高強(qiáng)度鋼等對(duì)焊接熱輸入敏感的材質(zhì)厚壁結(jié)構(gòu)在海洋工程、船舶、重型壓力容器等行業(yè)應(yīng)用的越來(lái)越多，高質(zhì)量（低熱損傷、低應(yīng)力變形、可靠側(cè)壁熔合、無(wú)層間未熔合及夾渣等缺陷）、高效率（高焊接速度、高熔敷效率）一直是這類高性能材質(zhì)厚壁及超厚結(jié)構(gòu)窄間隙焊接技術(shù)研發(fā)努力的方向，二者卻又很難兼顧。如高熔敷效率的NG-SAW由于熱輸入大而對(duì)厚壁構(gòu)件具有較大的熱損傷、較高的殘余應(yīng)力；高質(zhì)量的NG-GTAW及NG-LW因熱輸入低而容易獲得低熱損傷、低應(yīng)力變形接頭，但由于鎢極載流能力有限或加熱區(qū)域小而造成熔敷效率較低，降低了焊接效率。為了穩(wěn)定GMAW過(guò)程，利用激光對(duì)GMA（Gas Metal Arc，GMA）的穩(wěn)定作用，將激光+GMA復(fù)合熱源應(yīng)用于NG-W，具有一定效果，但仍有進(jìn)一步減小坡口寬度、降低焊接熱量輸入和焊縫金屬填充量的空間。目前，尋求高效率和高質(zhì)量良好平衡的優(yōu)質(zhì)高效NG -W工藝是國(guó)內(nèi)外焊接科研人員一直努力的目標(biāo)。

4.2 激光及激光+電弧復(fù)合熱源窄間隙焊接

能夠獲得高質(zhì)量接頭的擺動(dòng)激光窄間隙焊接與NG-GTAW相同，存在熔敷效率較低的問(wèn)題。而激光+電弧復(fù)合熱源焊接以激光焊與電弧焊優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、過(guò)程穩(wěn)定等特點(diǎn)，一直是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外焊接技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)之一，并且在厚板焊接中具有很大發(fā)展?jié)摿Α⒓す?GMA復(fù)合熱源焊接引入窄間隙焊接領(lǐng)域，發(fā)揮兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、開(kāi)發(fā)激光+電弧復(fù)合窄間隙焊接新工藝，可以有效地彌補(bǔ)NG-LW的不足，提高焊接熔敷效率，能夠提升大厚度結(jié)構(gòu)焊接成形制造水平。如20mm厚的AISI304L不銹鋼板窄間隙焊接，激光+電弧復(fù)合熱源焊接僅需4層填滿，而填絲激光焊接則需要5層，復(fù)合熱源焊接顯示出更高的生產(chǎn)效率[53-57]。

國(guó)內(nèi)外研究表明，激光+GMA復(fù)合熱源窄間隙焊接技術(shù)繼承了NG-LW和NG-GMAW的優(yōu)點(diǎn)，但又由于激光與電弧間相互穩(wěn)定作用而彌補(bǔ)了彼此的缺點(diǎn)，可以在低熱輸入條件下大幅度提高熔敷效率，很好地實(shí)現(xiàn)了窄間隙焊接高質(zhì)量與高效率的平衡，在厚壁及超厚構(gòu)件高效、低熱輸入、低應(yīng)力變形、低熱損傷和高熔敷效率焊接方面表現(xiàn)出了很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和巨大的工程應(yīng)用潛力。

5 窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

作為一種高質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)成本成形制造技術(shù)，NG-W在技術(shù)上對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)焊接有極大優(yōu)勢(shì)；從經(jīng)濟(jì)效益上，板厚越大，NG-W技術(shù)的低成本優(yōu)勢(shì)越顯著，經(jīng)濟(jì)效益也就越明顯，目前我國(guó)工程焊接最大厚度已達(dá)660mm，也是世界上焊接最大厚度。各種窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用的最大厚度如圖11所示。

圖11 窄間隙焊的應(yīng)用板厚范圍

到目前為止，NG-W技術(shù)在厚板焊接領(lǐng)域的推廣應(yīng)用主要在重型工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行的，其具體分布狀態(tài)見(jiàn)表3。

表3 窄間隙焊接方法在行業(yè)中應(yīng)用狀況

（1）壓力容器和鍋爐 NG-W技術(shù)在壓力容器和鍋爐行業(yè)應(yīng)用最廣，約占半數(shù)，其中70%為熔化極氣體保護(hù)焊，其余30%為埋弧焊。在壓力容器中，NG-W多用于筒體縱縫和環(huán)縫、封頭的對(duì)接、接管與入孔圈的嵌入焊接接頭等。在鍋爐中，NG-W可用于焊接大直徑支管接頭。另外，對(duì)于要求嚴(yán)格的核電反應(yīng)堆鍋爐壓力容器，其主要接頭幾乎全部采用窄間隙焊接方法。

（2）重型機(jī)械 在重型機(jī)械行業(yè)，大量采用100～200mm板厚甚至更厚的金屬結(jié)構(gòu)，如8萬(wàn)t水壓機(jī)主壓力缸筒厚度達(dá)660mm，所采用的焊接成形制造工藝幾乎都是NG-SAW或NG-GMAW。特別是，NG-GAW以其相對(duì)較低的熱輸入，更適合對(duì)熱輸入敏感材質(zhì)的厚壁結(jié)構(gòu)焊接。

（3）海洋結(jié)構(gòu)和船舶 近幾年，世界各國(guó)在近海的石油、天然氣開(kāi)采中，廣泛地使用大型海洋結(jié)構(gòu)。在大型海洋結(jié)構(gòu)制造中（采油平臺(tái)），使用超過(guò)100mm的厚鋼板越來(lái)越多，而且焊接質(zhì)量要求很高。因此，高質(zhì)量、高效率的窄間隙焊接成為海洋工程和船舶領(lǐng)域很有前途的焊接成形制造方法。

（4）壓力管道及石油石化裝備 隨著壓力管道的大型化，大量采用大直徑、大厚度高強(qiáng)度鋼管。過(guò)去手工焊接的壓力水管傾斜部分或垂直部分的環(huán)焊縫（全位置焊或平焊），現(xiàn)在已采用U形坡口的氣體保護(hù)窄間隙焊接。

鉆鋌是石油鉆井作業(yè)中最重要的鉆具組合之一，屬于小直徑厚壁管，低熱輸入的窄間隙焊接技術(shù)是鉆鋌重要的修復(fù)技術(shù)[58]。此外，石油石化裝備中厚壁結(jié)構(gòu)也大量采用NG-W技術(shù)制造。

隨著控制技術(shù)、信息技術(shù)的進(jìn)步，在GMAW領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出來(lái)的許多新工藝、新設(shè)備、新裝置、新器材以及工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，都為窄間隙焊接的技術(shù)進(jìn)步提供了新思路、新途徑和新技術(shù)儲(chǔ)備。相信不久的將來(lái)，更高效率、更高質(zhì)量、更低成本、更可靠、更實(shí)用化的窄間隙焊接技術(shù)還會(huì)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，將加快NG-W技術(shù)在裝備制造厚壁結(jié)構(gòu)焊接成形制造中的推廣應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）隨著對(duì)熱輸入敏感的高性能材質(zhì)的厚壁窄結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，窄間隙氣體保護(hù)焊接技術(shù)在降低焊接熱輸入、實(shí)現(xiàn)低熱損傷焊接成形制造方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2）低熱輸入、無(wú)飛濺穩(wěn)定可靠的熔化極氣體保護(hù)焊接工藝（包括復(fù)合熱源焊接工藝）是窄間隙氣體保護(hù)焊接技術(shù)應(yīng)用推廣的工藝基礎(chǔ)，也是未來(lái)窄間隙焊接技術(shù)研發(fā)的方向之一。

3）準(zhǔn)確焊縫跟蹤和可靠側(cè)壁熔合是窄間隙氣體保護(hù)焊接技術(shù)質(zhì)量的保證，也是窄間隙焊接過(guò)程控制必須解決的兩個(gè)問(wèn)題。

4）激光+GMAW復(fù)合熱源窄間隙焊接技術(shù)不僅具有NG-LW的低熱輸入和NG-GMAW的高熔敷效率的優(yōu)勢(shì)，還由于激光與電弧的相互作用而穩(wěn)定GMAW過(guò)程、有效抑制其飛濺的發(fā)生，是解決窄間隙焊接高質(zhì)量與高效率平衡的有效工藝，極具工程應(yīng)用潛力。